申请/专利权人：南非大学

申请日：2017-09-05

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN109844967B

主分类号：H01L33/00

分类号：H01L33/00;H01L33/02;H01L33/34

优先权：["20160906 ZA 2016/06148"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2019.10.01#实质审查的生效;2019.06.04#公开

摘要：本发明提供了一种基于硅pn的器件，其中，在所述器件中策略性地设置不同的掺杂剂和杂质掺入浓度，反向偏置所述pn结，从而激励和增强650nm光学发射。本发明延伸为一种硅雪崩发光器件，所述硅雪崩发光器件包括第一结和第二结，所述第一结包括反向偏置激发区，用于在第一方向上注入高能量载流子，所述第二结被正向偏置，以便与所述第一方向相反注入高密度低能量载流子，其中在所述第一结和所述第二结之间形成相互作用区，以便通过所述高能量载流子和所述低能量载流子之间的相互作用增强650nm的光子发射。

主权项：1.一种基于硅pn的器件，其特征在于，在所述器件中策略性地设置不同的掺杂剂和杂质掺入浓度，反向偏置pn结，从而激励和增强650nm的光学发射，其中，在距反向偏置激发区一定距离处策略性地设置杂质密度，使得形成高浓度的高能量电子，在距所述反向偏置区的策略性距离处设置的第二结在相反方向上注入高密度的低能量空穴，使得在所述高能量电子和所述低能量空穴之间的相互作用区中激励复合机制和光子的产生过程，并且其中，所述基于硅pn的器件包括重叠的p+n+掺杂的区域，其中，高杂质区策略性地与高能量电子和低能量空穴的高复合区重合，以便增强两种扩散载流子物质的动量散播，并增强来自所述器件的光子产生，并且在所述高复合区附近包括近表面散射区，所述近表面散射区是含有高密度的磷掺杂剂的薄n+区域，以便增强激发电子的散射，并且所述近表面散射区是通过使用中性的植入物质或Si-SiO2扩散的植入技术而产生的，以便产生具有界面缺陷性质的高散射中心区，以便增强扩散高能量电子和扩散低能量空穴的散射。

全文数据：650NM硅雪崩发光二极管简介本发明涉及硅雪崩LED，具体涉及硅雪崩LED。发明背景已经认识到，从微米尺寸硅器件发射的光具有很大的潜力，因为其可以用于实现芯片上多样化和自由空间光学数据通信链路。此外，其允许利用简单且廉价的硅集成电路技术以及通过光学手段及其所有优势处理下一代微处理器芯片中的数据。此外，通过在芯片上集成微米级传感器，可以使未来的集成电路更加智能化。在WO2009093177A1中示出了发光硅器件，其包括由半导体材料制成的主体。在所述主体的第一掺杂类型的第一区域和所述主体的第二掺杂类型的第二区域之间的主体中形成第一结区域。在所述主体的所述第二区域和主体的第一掺杂类型的第三区域之间的主体中形成第二结区域。把端子布置连接到主体，以用于在使用中将第一结区域反向偏置成击穿模式，和用于至少正向偏置部分第二结区域，以朝向第一结区域注入载流子。配置该器件，以使与所述反向偏置的第一结区域相关联的第一耗尽区域穿透到与所述正向偏置的第二结区域相关联的第二耗尽区域。在US20050253136A1中，示出了用于形成电致发光器件的方法。该方法包括提供第IV族半导体材料类型的衬底，在衬底中形成p+n+结，以及形成覆盖衬底中的p+n+结的电致发光层。在US20090121236A1中，示出了低成本的光耦合器，可以使用惯常集成电路处理方法在绝缘体上硅SOI上制造该光耦合器。金属和沉积的绝缘材料用于实现顶部反射器，用于将由硅PN结二极管产生的光引导到硅PN结光电二极管检测器。所述光发生器或LED可以在雪崩模式或正向模式下操作。而且，侧反射器被描述为将光包含到LED-光电检测器对的装置。此外，针对硅LED的雪崩模式描述了蛇形结PN硅LED。US8,344,394B1描述了一种在衬底中包括多个掺杂区域的电路。第一掺杂区域具有靠近第二掺杂区域的尖端，并且通过本征区域与第二掺杂区域分离，以形成P-I-N结构。该电路还包括分别电耦合到第一掺杂区域和第二掺杂区域的第一电极和第二电极。所述第一电极和所述第二电极被配置为向第一掺杂区域和第二掺杂区域提供电压，以反向偏置P-I-N结构并产生光。第一掺杂区域可以包括多个尖端，第二掺杂区域可以包括多个尖端，并且第一掺杂区域的每个尖端可以靠近第二掺杂区域的尖端中的一个，以形成多个P-I-N结构。P-I-N结构还可以被配置为在具有内部正反馈的双雪崩注入导电率模式下操作。发明目的本发明的一个目的是提供一种硅雪崩发光器件，其至少部分地克服了与现有发光器件相关联的劣势。本发明的另一目的是提供一种硅雪崩发光器件，作为低成本但高效的具有高强度光输出的、可用于各种用途的发光器件。本发明的又一目的是提供一种既新颖又具有创造性的发光器件。发明内容根据本发明的一个方面，提供了一种基于硅pn的器件，其中，在所述器件中策略性地设置不同的掺杂剂和杂质掺入浓度，反向偏置所述pn结，从而激励和增强650nm光学发射。可以在距反向偏置激发区一定距离处策略性地设置杂质密度，使得形成高浓度的高能量电子，在距该区策略性的距离处设置第二结，在相反方向上注入高密度的低能量空穴，使得在高能量电子和低能量空穴之间的相互作用区中激励复合机制和光子的产生过程。高杂质区可以策略性地与高能量电子和低能量空穴的高复合区重合，以便增强两种扩散载流子物质的动量散播并促进从器件中的光子产生。可以通过适当的半导体工艺技术来制造导电沟道，以便提高扩散高能量电子和扩散空穴的密度，并促进所述沟道中的光子的产生。根据本发明的另一方面，提供了一种硅雪崩发光器件，包括第一结和第二结，所述第一结包括反向偏置激发区，用于在第一方向上注入高能量载流子，以及所述第二结被正向偏置，以便与所述第一方向相反地注入高密度低能量载流子，其中在所述第一结和所述第二结之间形成相互作用区，以便通过所述高能量载流子和所述低能量载流子之间的相互作用增强650nm光子的发射。高能量载流子可以是电子，且低能量载流子可以是空穴。第一结区域可以形成为pn结。第二结区域可以形成为np结。相互作用区可以形成为弱掺杂n区域。该器件可以形成为p+np+型或p+nn+缓变结器件。通过利用被推入雪崩或接近雪崩的反向偏置的第一结激发电子，沿第一导带将载流子激发到接近零动量值，然后通过电子的散射降低载流子的晶体动量，进一步将所述载流子的晶体动量降低到接近零动量值，然后与价带中具有相同的晶体动量值的可用的高密度低能量空穴复合，可以产生光子发射。基本上只有电子可能需要在硅的第一导带中被提高能量，优选地增能到导带的第一最小值的能量之上约3eV或1.8eV。可以在远离第一结的一定距离处产生特定的高能量电子区。可以在距所述高能量电子区一定距离处设置第二pn结，并且空穴从第二p+n结并扩散通过结的低掺杂中性n区域的某一段而注入所述高能量电子区。针对第二np+结设置优化偏置条件，这将优化扩散空穴的能量，使得电子之间的复合概率在电子能量和空穴能量方面都被优化。可以优化所设计的载流子平衡和载流子密度，使得密度可以适当地平衡。可以设计窄沟道或导线，以便将载流子流动限制到仅某些晶体区域，并增加电子载流子和空穴载流子二者的密度。可以引入另外的特定区，其允许增强扩散电子载流子和空穴载流子的散射，从而通过动量散播来提高复合概率。可以优化器件操作条件以通过在低激发条件下操作来防止对器件的有源区域产生热损坏，其中结不一定被推入雪崩并且空穴电荷载流子获得非常低的能量。具体实施方式现在将参考下面的附图通过示例对本发明进行更详细的描述，在附图中示出了：图1a是根据蒙特卡罗模拟研究所获得对于施加场为300kV.cm-1的k空间内载流子和硅中能量的电子能量分布；图1b和c是第一布里渊区中的k空间中的电子动量分布和空穴动量分布；图2是针对各种激发条件、动量变化和可能的后续光子的跃迁，硅的导带和价带中的电子群和空穴群的能量分布；图3是硅中电子的电离特性；图4是在低激发条件下p+n硅反向偏置结中激发的电子和空穴密度；图5是pn硅反向偏置结构中的激发的方向和扩散距离；图6a是p+np+Si注入雪崩SiLED的横截面；图6b是在有源偏置条件期间通过器件的电场分布；图6c是器件的导电截面；图7是p+np+器件，在第二结上具有无源电阻耦合，并且只有一个电压偏置源；图8a是单个p+n突变结SiAvLED的电场和载流子密度分布曲线，显示了通过杂质中心的载流子的不平衡和最小化散射，以及缓变结p+nn+SiAvLED的电场和载流子密度分布曲线，显示了载流子的平衡和最大化增能，然后在带正电荷的掺杂剂杂质原子的基质中最大化电荷载流子的散射；图9是观察到的光学发射与电流曲线的峰值特征；图10a是显示了在线性标度上，在3mA下针对缓变p+np+结SiAvLED测量的600nW的总光谱光功率的原始结果；图10b是分别针对p+nn+、p+n+重叠以及p+nn+缓变结SiLED器件测量的光谱功率瓦特每nm波长沟道；以及图11a至c具有与图6中相同的结构，带有额外的薄n+区域。本发明的器件提供650nm发射，其由于以下原因特别有用：光可以以相对低的损耗通过波导传播，使片上微型光链路可以用于未来的片上光通信和光数据处理。650mn或750nm光学发射可以容易地与现有的主要在片外系统中运行的1550nm光通信系统链接，因为这意味着片上载波的频率本质上要减半以便转换为1550nm。当考虑高光学载波上可能的调制频率时，片上光学信号处理的数据带宽能力有效地加倍。由于简单的硅检测器在低至-90dBm具有非常好的检测能力，因此这意味着可以获得足够的功率预算，以便实现用于各种目的的有效光链路。通常，SiAvLED的光转换功率为-40dBm，波导中的插入损耗可以为-20dB，并且检测器通常具有-10dB的转换效率。这意味着，对于1dBm驱动系统，波导中可获得高达20dB的损耗，或对于10dBm驱动系统10V和1mA，可获得30dB的损耗。通常，650nm处的微氮化物基波导的损耗为每cm芯片长度0.5dB。对于自由空间通信应用，环境的插入损耗可以最小化到-10dB，这意味着通过定向或各向同性传播机制可以获得-50dB的自由空间损耗。SiAvLED具有反向偏置的微型器件尺寸，显示出高达100GHz或更高频率的高调制能力。因此，SiAvLED可以与SiGeHBT检测器结构有效结合，具有高达30GHz的调制检测率。可以直接在芯片上制造多种微型光学传感器。考虑到可以设计用于从硅产生发射的所有各种机制，据信本发明中描述的特定机制提供了最高的可行性以便产生高强度发射。当在强反向偏置条件期间，在一定体积的晶体经受如这些器件中经历的高电场时，已经执行了硅带结构中的载流子能量和动量的蒙特卡罗技术。使用相同的物理机制以用于散射机制，但蒙特卡罗技术的概念应用于计算机模拟。图1a和b分别显示了基本能量分布函数fE，以及在3×104V.cm-1的电场中激发时用于轰击电离条件的电子的数密度函数gEfE。观察到该激发场的导带中的电子的能量分布范围为1.1eV至1.7eV，而对于电子观察到相当宽的动量散射图1b。对于空穴观察到类似的趋势图1c，但由于硅中的空穴的较大有效质量，能量和动量的散播都较小。对于第一Brillion区中的电子，尤其观察到较大变化，这意味着在晶格散射过程中，电子在动量值上获得了很大的变化。空穴动量值揭示了类似的散射特征，但程度较小，且仅在主要的电场和激发方向上引导。由此得出，通过设计pn结的掺杂水平和结上的电压的大小，可以设计电场的大小，负责在反向偏置雪崩情况期间提高载流子能量。考虑到通过电场增能过程可获得的增能范围，由此得出可以在硅的能带结构内产生各种“载流子能量群”。在图2中，对于电子和空穴均示意性地示出为阴影群。通过设计不同的器件和填充扩散载流子的密度，并且通过适当地设计扩散期间的载流子的动量散播，由此得出，随后可以在硅波长发射器件中产生特定的光学跃迁。如果仅将电子注入到没有注入或产生额外载流子的基质中，则只有电子会耗散能量并且动量在n+基质中改变。在这种情况下，最可能的是仅电子能量跃迁或弛豫将产生光子的发射。如图2所示，比较跃迁能量和转换物理，很明显发射主要在长波长范围内，即从750nm到850nm。该波长的波长发射主要用于长波长红外通信应用。它也适用于各种片上波导应用，因为在这些波长的波导中的损耗基本上非常低。类似地，它可以用于来自微芯片级微尺寸器件的短距离自由空间通信。另一方面，如果设置了电子和空穴的群和动量分布，使得B型的跃迁主要如图2所示的设置，其中一些动量辅助跃迁，如在后面的公开结果显示，可以产生大约650nm的非常高的发射。由于该波长处于红光区红外区，仍然适用于片上的低损耗波导传播以及各种自由空间应用。如果电子和空穴在相等的载流子密度中均等地产生并且适当地填充在能带结构中，使得激发的载流子的动量值一致，则可以激励D型的特定跃迁，其中可以发生非常高能量的直接跃迁。该发射波长将主要在紫外波长区域中。由于光子能量非常高，可以预期这些光子可以用于各种应用如微生物和微芯片传感和分析领域中的微传感器件。因此，原则上可以为这些类型的SiAvLED产生三个波长发射范围，其中发射主要是450nm、650nm和约850nm。在这三个中，650nm发射具有被激励的最高可能性，这将在本发明的说明书中阐明。如上所述，考虑到可以在硅中产生的所有可能的光子的发射，假设通过利用被推入雪崩或接近雪崩的反向偏置的结激发电子，将载流子沿第一导带激发到接近零动量值，然后通过电子的散射降低载流子的晶体动量，进一步将所述载流子的晶体动量降低到接近零动量值，然后与价带中可用的具有相同晶体动量值的高密度低能量空穴复合，产生光发射，这种跃迁提供了在硅中产生最高光学发射的潜力。这些跃迁由图2中的载流子跃迁机制C指示。在本发明的第一部分中，主要只有电子在硅的第一导带中被增能或需要被增能到导带的第一最小值的能量之上约3eV或1.8eV。如图3所描绘的，这可以通过利用物理事实来实现，即在低激发条件下，电子的电离速率比空穴高约10倍。在相等掺杂剂密度的pn结中应用这种现象，意味着在雪崩条件下或接近雪崩条件，可以在结的n侧并且如图3中示意性所示的距pn冶金界面一定距离设置接近3eV的高密度的高能量电子。如图2b所示，由于电场不足以使高密度的空穴电离，由此得出，从电子电离过程产生的高能量空穴将仅扩散到结的相对侧。随后，可以在远离冶金pn结一定距离处产生高能量电子的特定区，该冶金pn结主要包含约3eV的高能量电子。这将大致约5倍于高能量电子的平均扩散长度即150nm量级，这获得约0.6微米的值。在p+n结的情况下，其中p区域是高掺杂的和n区域是低掺杂的，耗尽层主要朝向n侧延伸，且因此主要是电子将实现长的扩散长度并引起二次倍增。该概念在图4中示意性地示出。空穴将在p+区域中的薄层中经历高散射，并且光发射将仅限于p+界面处的非常薄的层。包含高密度的低能量空穴的第二p+掺杂区域位于包含高能量电子的所述区。因此，在器件中设置了一个区，其中，接近零晶体动量的高能量电子与低能量空穴的非常高的复合满足针对光子跃迁机制C设置的条件。然而，第二pn结将为扩散电子提供0.7eV的势垒，这会降低电子的能量并且破坏复合目的。因此，次级要求是第二pn结应稍微正向偏置约0.7V，以便降低这种垒。可以在距高能量电子区一定距离处设置第二pn结，和空穴从第二p+n结并扩散通过结的低掺杂中性n区域的某一段注入所述高能量电子区。然而，应确保整体不会获得高能量，因为这会在价带中推低空穴能量并根据跃迁机制C破坏高强度复合。此外，高能量电子将遇到的相反的扩散通量还可以减少扩散电子所获得的高能量。针对第二np+结设置优化偏置条件，这将优化扩散空穴的能量，使得电子之间的复合概率在电子和空穴能量方面都被优化。对于这样的条件，将观察到：具有光学发射强度的高峰值的峰化特征。优化设计载流子平衡和载流子密度，以便根据跃迁机制C增加光子的发射。光学幅度发射强度的大小将是相应载流子密度乘积的函数，通过R＝Cn'p'其中，n'是高能量电子的密度，p'是特定设计能量的局部空穴密度，C是比例常数。由此，如果1每单位体积的硅晶体的扩散电子和扩散空穴的载流子密度可以显著增加，和2如果通过将这些密度设计为相等，可以适当地平衡这些密度，则来自硅的光子的发射可以显著增加。这可以通过促进或设计窄沟道或导线，以便将载流子流动限制到仅某些晶体区域并增加电子和空穴载流子二者的密度来实现。可以在上述器件中引入另外的特定区，这将允许增强扩散电子载流子和扩散空穴载流子的散射。高能量电子的这种散射将引起与扩散高能电子相关联的晶体动量中的动量散播或动量变化。如图2所描绘，这种动量散播可以提高光子产生机制C中的复合概率。根据机制C，在带结构中产生载流子的横向动量变化将大大提高光子复合概率。采用利用外来中性物质的植入技术，或者通过在预定复合区附近引入近表面散射区，可以容易地将这些区域构建到结中。在图11中示出了该概念的优选实施方式，其中使用与图6相同的结构，但是引入了额外的含有高密度的磷掺杂剂的薄n+区域，以便增强激发电子的散射，所述激发电子在较低电场主导条件下扩散通过该区域，并与注入的低能量空穴的相反通量相互作用。这种高散射区也可以通过使用更中性的植入物质或甚至Si-SiO2扩散的植入技术而可选地产生，以便产生主要具有界面缺陷性质的高散射中心区，以便增强扩散高能量电子和扩散低能量空穴的散射。可以优化上述器件操作条件，以防止对器件的有源区域产生热损坏。结被推入重度雪崩hardavalanche中的热载流子器件通常产生过多的高能量和高密度的高能电子和空穴，其中热空穴由于其较大的质量而承载大部分能量。这可能对器件的晶体结构和敏感材料部分造成严重损坏。在本发明如上所述的设计中，所述器件在低激发条件下操作，其中结不必被推入雪崩，并且空穴电荷载流子获得非常低的能量。这些特征使得所述器件作为高光子产生器件非常可行，其几乎不随时间退化，并确保较长的寿命和较低的二次热载流子效应。此外，它将使同样的器件能够用作检测器结构，而不会由于先前作为热载流子器件的操作而对用作检测的结造成损坏。已经普遍观察到置于操作的雪崩模式下的pn结的检测能力的退化效果。在半导体工业中，通常已经知道热载流子器件在长期器件性能和器件可靠性方面产生不期望的效果和不一致性。因此，半导体设计者通常会避开热载流子器件。在下文中，将关于p+np+器件对于本发明的第一实施方式进行描述。如图6所示，采用具有高频RF应用能力的0.35微米Si双极工艺，在本研究中可以设计特定p+np+型结器件。该工艺使得能够在宽的位于下部的硅半绝缘p衬底上蚀刻掉柱状结构的“细长柱”。因此，这些结构可以有效地限制横向载流子扩散，并使沿该结构的扩散载流子密度最大化。薄p+n+重叠区域限定为刚好与p+区域邻接。该区域的目的是产生净低n掺杂区域的薄区域，但包含异常高的掺杂剂杂质含量。因此，这样的区域可以维持高电场，但同时还为激发的载流子提供了非常高的散射区。在n外延层附近设置第二p+区域，目的是将其正向偏置并将低能量空穴注入雪崩发光结中。每块柱状结构的尺寸分别约为1微米尺寸。总器件导电截面导电面积约为1μm2。用策略性地接触中间n区域的第三接触在高掺杂部分上进行适当的接触。直到携带电子经受电离过程之前，器件的第一结都是反向偏置的。电子和空穴的电离均发生在器件的高杂质低掺杂n-区域中。然而，由于在低激发条件下，硅中的电子数比硅中的空穴数高10倍，因此主要是电子被激发并向器件的n区域穿越。因此，中心n区域端子2的偏置电压便于控制第一反向偏置结中的激发水平。类似地，通过在端子3上施加偏置电压，结构中的第二np+结可以是正向偏置，使得空穴注入雪崩结。由于距第二np+结的距离小，因此到达n低掺杂区域的注入空穴能量保持很高。如图7中示意性所示，通过在器件偏置电路中设置所谓的“偏置电阻器”，可以控制穿越跃迁区域D的载流子的特定混合。例如，通过选择R1零和R2无限高，仅将J1反向偏置，并且仅在主结J1中施加雪崩电流主要是电子。类似地，如果在J2上施加正向偏置电压，则“注入空穴”的某部分或电流密度可以到达雪崩结。如果R2达到非常高的值，则主要是非常高密度的空穴将穿越结J1。该过程意味着可以将来自器件的光发射特性作为电流大小、载流子类型以及穿越雪崩结的载流子混合的函数进行研究。由于电阻器的值是已知的并且测量每个电阻器上的电压，因此可以在各种情况下计算雪崩和空穴注入分量，并与流过器件的总器件电流IT进行比较。还应提到的是，随着端子2上的偏置电压增加到高的值，高密度的电子和空穴都将在激发区中被激发，并且空穴能量分布也将变得更加分散。因此，合理的是，只有在较低的总器件电流下才能注意到低能量注入空穴的影响，因为在低激发条件下，激发区中的激发载流子主要是电子，而主要是电子的原因是在这些条件下的电子的电离系数较高比空穴高约10倍。选择这样的条件将能够更准确地研究将低能量空穴注入发光雪崩结。用连接有AnritsoMS9710B光谱分析仪的光纤透镜探针测量对器件测得光学产生结果。在下文中，将关于p+nn+缓变结器件对本发明的第二实施方式进行描述。图8示出了专门设计的p+nn+结器件的建模方案，所述器件具有较低值的n正杂质掺杂剂密度的特定基质，所述特定基质位于所述器件的中心部分。特别地，这里呈现了缓变结特性，其中杂质分布曲线朝向第二“nn+结”区域增加。特别要注意的是，在第一p+n冶金结附近保持高电场条件。该特征将特别地支持载流子电离和载流子倍增过程，因为它们通过正常的雪崩过程发生。此外，通过仔细控制该器件上施加的器件电压，可以设置低电离操作模式，当电子朝向第二nn+冶金结区域扩散时，这将促进每单位晶体长度的电子的电离和电子的倍增。在2×105V.cm-1的电场激发下，硅中的电子的电离系数比空穴高约10至20倍。由于电离电子的每次倍增过程都会导致单个空穴的产生。由此得出，在较高的n掺杂区域，空穴产生的空穴密度将对应地与电子密度成比例。这意味着，在所述器件的位于两个冶金结区域之间的中心部分中产生近似相等的所产生的电子密度和空穴密度。密度分布曲线在大晶体体积上明显重叠，并且，如图2中通过C型跃迁所假设的，这种情况可以特别地促进带间电子空穴复合过程。由于正掺杂杂质原子的基质嵌入了器件的整个耗尽的n区域；此外，这意味着，由于局部散射过程，硅中电子的晶体动量会经历局部动量变化。这些过程尤其可以促进C型和D型的带间电子空穴复合过程，以及A型和B型的带内电子空穴弛豫和跃迁过程。可以预期，C型和D型的这些过程将发生在整个中心结间区域，而A型和B型的过程将特别发生在大体积电子漂移区域和空穴漂移区域内，其中电场低于电子电离临界场水平。可以预期，当扩散空穴朝向第一p+n冶金结扩散时，特别是在该结处也存在杂质掺杂剂原子梯度的情况下，对于扩散空穴也可能发生类似的过程。然而，由于电场在第二n+p结区域低得多，因此可以预期空穴的产生水平将变低。最后，应认识到，高电场和短距离反向偏置结硅pn结和pin结的载流子跃迁时间非常短。通常预测高达数十GHz的高频能力。总之，呈现了一些简短的实验结果，以便证明该专利说明书的有效性。在图9中，呈现了输出光学发射对总的器件电流的曲线图，所述器件被第二p+和中间n区域之间的电阻耦合偏置，并且单个负偏置如图中p+区域所示。在中偏置电压操作条件下示出了输出发射曲线的明显峰化，这表明在光学产生机制中发生了机制变化，以及这基本上证实了本专利说明书的第2部分中呈现的所有描述论点。在图8中总结了对于该器件的这种操作所观察到的光学发射对电流的特性。在器件的O-I特性中出现了有趣的特征，所述特征显示了在某些偏置条件和电流大小下光学发射强度明显增加。可以根据本发明说明书中先前描述的操作方面来解释这些特征。在图10中，输出光学发射特性以线性和对数形式呈现为光谱形式。这两条曲线都示出了在特定的650nm发射区域处的光学发射特性增加约150倍。如第2部分和图2中所阐明的，该观察结果再次明确地证实了硅中光子的产生过程的激励和优化。在图11中，具有与图6中相同的结构，带有额外的薄n+区域。在比电离所需更低的电场主导条件下，在第二区域中引入的该二次n+或任何高载流子散射区。尽管本文仅描述了本发明的某些实施方案，但本领域技术人员将理解，本发明的其他修改、变化和可能性是可能的。因此，这些修改、变化和可能性被认为落入本发明的精神和范围内，并因此形成如本文所述和或举例说明的本发明的一部分。已经在本发明的优选实施方式中描述了本发明，显然，在本领域技术人员的能力范围内并且在没有创造性能力的情况下，可以对其进行多种修改和产生各种实施方式。因此，本发明的范围由以下权利要求的范围限定。

权利要求：1.一种基于硅pn的器件，其特征在于，在所述器件中策略性地设置不同的掺杂剂和杂质掺入浓度，反向偏置pn结，从而激励和增强650nm的光学发射。2.根据权利要求1所述的基于硅pn的器件，其中，在距反向偏置激发区一定距离处策略性地设置杂质密度，使得形成高浓度的高能量电子，在距所述反向偏置区的策略性距离处设置的第二结在相反方向上注入高密度的低能量空穴，使得在所述高能量电子和所述低能量空穴之间的相互作用区中激励复合机制和光子的产生过程。3.根据权利要求2所述的基于硅pn的器件，其中，高杂质区策略性地与高能量电子和低能量空穴的高复合区重合，以便增强两种扩散载流子物质的动量散播，并增强来自所述器件的光子产生。4.根据前述权利要求中任一项所述的基于硅pn的器件，其中，通过适当的半导体工艺技术来制造导电沟道，以便增强扩散高能电子和扩散空穴二者的密度，并促进所述沟道中的所述光子的产生。5.一种硅雪崩发光器件，包括第一结和第二结，所述第一结包括反向偏置激发区，用于在第一方向上注入高能量载流子，和所述第二结被正向偏置，以便与所述第一方向相反地注入高密度低能量载流子，其中在所述第一结和所述第二结之间形成相互作用区，以便通过所述高能量载流子和所述低能量载流子之间的相互作用增强650nm光子的发射。6.根据权利要求5所述的硅雪崩发光器件，其中，所述高能量载流子是电子，以及所述低能量载流子是空穴。7.根据权利要求5或6所述的硅雪崩发光器件，其中，所述第一结区域形成为pn结。8.根据权利要求5至7中任一项所述的硅雪崩发光器件，其中，所述第二结区域形成为np结。9.根据权利要求5至8中任一项所述的硅雪崩发光器件，其中，所述相互作用区形成为弱掺杂n区域。10.根据权利要求5至9中任一项所述的硅雪崩发光器件，其中，所述器件形成为p+np+型或p+nn+缓变结器件。11.根据权利要求5至10中任一项所述的硅雪崩发光器件，其中，利用推入雪崩或接近雪崩的反向偏置的所述第一结，激发电子，沿着第一导带将载流子激发到接近零动量值，然后通过所述电子的散射降低所述载流子的晶体动量，以及进一步降低所述载流子的晶体动量至接近零动量值，然后通过与价带中具有相同的晶体动量值的可用高密度低能量空穴复合，产生光子的发射。12.根据权利要求11所述的硅雪崩发光器件，其中，基本上只有电子需要在硅的所述第一导带中被增能，优选地增能到所述导带的第一最小值的能量之上约3eV或1.8eV。13.根据权利要求11或12中任一项所述的硅雪崩发光器件，其中，在距所述第一结的一定距离处产生高能量电子的特定区。14.根据权利要求11至13中任一项所述的硅雪崩发光器件，其中，在距所述高能量电子区一定距离处设置第二pn结，并且空穴从第二p+n结并扩散通过所述结的低掺杂中性n区域的某一段而注入所述高能量电子区。15.根据权利要求11至14中任一项所述的硅雪崩发光器件，其中，针对第二np+结设置优化偏置条件，这将优化所述扩散空穴的能量，使得电子之间的复合概率在电子能量和空穴能量方面均得到优化。

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